测量学概论-海洋测绘

设换能器在船体坐标系下的坐标为(x0 ,y0 , z0)，则波束 脚印的船体坐标(x，z)为：
N
z z0 C i cos q i ti i 1 N
x x0 C i sin q i ti i 1
机载激光测深（面测量）
激光测深的原理与双频回声测 深原理相似，从飞机上向海面发射 两种波段的激光，一种为红光，波 长为1064nm，另一种为绿光，波长 为523nm。红光被海水反射，绿光 则透射到海水里，到达海底后被反 射回来。这样，两束光被接收的时 间差等于激光从海面到海底传播时 间的两倍，由此可算得海面到海底 的深度。
海洋磁力测量成果有多方面的用途
✓ 对磁异常的分析，阐明区域地质特征，如断裂带分布、火山 岩体位置等。
✓ 磁力测量是寻找铁磁性矿物的重要手段。
✓ 在海道测量中，可用于扫测沉船等铁质航行障碍物，探测海 底管道和电缆等。
✓ 在军事上，海洋地磁资料可用于布设磁性水雷，对潜艇导航 系统进行校正。
✓ 用各地的磁差值和年变值编成磁差图或标入航海图，是船舶 航行时，用磁罗经导航不可缺少的资料。
海图绘制包括：
➢ 海洋大地控制网 ➢ 海洋重力测量
各种海图、海图集、海洋资料的 编制和出版；
➢ 海洋磁力测量 ➢ 海洋定位
海洋信息管理包括：
➢ 水深测量及水下地形测量 ➢ 海洋水文要素及其观测
海洋地理信息的管理、分析、处 理、应用以至数字海洋。
➢ 海底地貌及底质探测
➢ 海洋工程测量
6.2.1 海洋大地控制网
海洋测绘是一切海洋活动的前提和基础。
海洋测绘的定义
海洋测绘是海洋测量和海图绘制的总称，其任务是对海 洋及其邻近陆地和江河湖泊进行测量和调查，获取海洋基础 地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设、 海洋开发和海洋研究服务。
海洋测绘的特点
➢ 海洋测绘与陆地测绘中相关的理论和方法具有密切的联系，但又有 其独特的一面；
最后，进行数据处理，即对瞬时测量信息进行质量控制、 获取测量深度，再根据瞬时基准与固有基准间的关系，获得 海底地形地貌在固有基准下的表达。
船载声呐设备水下地形测量
• 传统水下地形测量模式（有潮模式）
定位：采用GPS差分定位技术（仅获取平面位置） 测深：单波束、多波束 潮位：验潮站潮位测量及时空内插船位处水位
之差便是淤泥厚度Δh 。
HLf Hhf ΔH
h Hlf H hf
多波束测深（面测量）
多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给出与 航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快 速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低 点，从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征，从真正意义上实现 了海底地形的面测量。
船载声呐设备水下地形测量（船载：常规手段） 机载激光水深测量（机载） 水下机器人测量（潜载） 激光雷达三维水下地形测量（岸基） 遥感反演海底地形 （星载）
无论采用何种手段，海底地形测量通常需要如下几个过 程来实现：
首先，进行海岸或海底平面、高程控制测量 。 其次，野外探测/扫测海底地物、地貌及其相关信息，并 采集潮位等辅助测量信息。 该步处理获得载体坐标系下的相对地形地貌、瞬时基准 和反映瞬时基准与固有平面和垂直基准间关系的参数等。
声器，其工作原理是测定声脉冲到不同水听器之间的时差或相位
差，从而计算出船位。
基线
换能器
水听器
Δt23
Δt13
水声应声器
超短基线定位：
超短基线系统与短基线系统的区别仅在于，船底的水听器 阵以彼此很短的距离（小于半个波长，仅几厘米）按直角等边 三角形布设，装在一个很小的壳体内。
6.2.5 水深测量及水下地形测量
走进测绘殿堂
海洋测绘
6.1 概述
6.1.1 海洋与海洋测绘
海洋约占整个地球面积的71%，是人类 生命的摇蓝、现代社会的交通要道，重要 的资源宝库。
随着人口的增加，环境的恶化，陆上资 源的逐渐枯竭，海洋已成为人类生存和发 展的重要空间。
我国是一个海洋大国。 海岸线长达1.8万千米 相邻有渤海、黄海、东海和南海，为西北太平洋陆缘
N X
Dr Y
I
H E
F
Z
F H2 Z2 H N2 E2 Z F sin I H F cosI X H cosD E H sin D
通过海洋磁力测量测出的地磁要素可以在地图上绘制地 磁要素等值线，即地磁分布。利用这些图可分析地磁分布、 异常，进而研究地磁或磁异常的成因。
海上磁力测量：拖曳模式，质子旋进式磁力仪或磁力梯度仪。 航空磁力测量
✓ 正倒三角锥测量实际上利用了GPS测量技术和超短基线定 位技术联合实现海底控制点的确定。
✓ 测量和计算思想仍为传统的边交会。
6.2.2 海洋重力测量
目的在于获取海洋重力数据，属于海洋大地测量。可用于： 描述地球形状； 研究地球内部物质分布； 空间飞行器的轨道计算和校正。
重力测量分为空中重力测量和海上重力测量。 空中重力测量又可分为卫星重力测量和航空重力测量；
水下定位
水声定位系统测定声波在海水中传播的时间及相位变化，计算 出水下声标到载体的距离或距离差，从而解算出载体的位置。按照 定位距离的长短可分为：
➢ 长基线定位 ➢ 短基线定位 ➢ 超短基线定位
➢ 长基线定位系统：
短基线定位：
短基线定位系统的船上设备除控制、显示设备外，还在船底
安置一个水听器基阵和一个换能器，在水下部份仅需一个水声应
海底控制网
海底控制网的布设主要采用三角形和正方形图形结构。
海底控制网的控制点为海 底中心标石。声波在海水中具 有很好的传播特性，因而，观 测目标的照准标志通常采用水 声照准标志（如水听器或应答 器），而观测手段采用声学测 距技术。
应答器
浮标 负荷 声标 锚
水下控制网测量
浮标
测次k Qj
测次k+1 Qj+1
单频单波束测深（点测量）
安装在测量船底的发射换能器垂直向水下发射一定频率
的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射返回，被接
收换能器所接收，若往返传播时间为△t。则水深H为 ：
H Ct 2
测量船 换能器
H
Δt
双频单波束测深（点测量）
换能器垂直向水下发射高、 低频声脉冲，由于低频声脉冲具 有较强的穿透能力，因而可以打 到硬质层；高频声脉冲仅能打到 沉积物表层，两个脉冲所得深度
海。 辖属内水、邻海、大陆架、专属经济区面积约为300
万平方千米、岛屿6500个、许多优良的港湾。
海洋开发和利用对我国具有战略性意义 。
一切海洋经济、军事或科研活动（如海上交通、海洋地质 调查和资源开发，海洋工程建设、海洋疆界勘定、海洋环境保 护、海底地壳和板块运动研究等），均需要海洋测绘为其提供 不同种类的海洋地理信息要素、数据和基础图像。
（传统方法）
• 现代水下地形测量模式（无潮模式）
定位：采用RTK/PPK/PPP技术（获取平面和高程坐标） 测深：单波束、多波束
量常 规 水 下 地 形 测
机载激光水下地形测量
类似于船载声纳设备水下地形测量系统。 水深 ：由机载激光提供 水面高程基准：由潮位测量来提供 平面位置：由DGPS提供
水下地形测量机器人（AUV/ROV）
由机器人深潜水下，在接近水底时用水下摄影的方式获得水 下目标的图像。随着海洋光学的研究及其技术的发展，不断有水 下摄影系统、海洋探测激光雷达系统的产品应用于水下工程测量。 水下电视摄像系统、水下数字摄像系统是目前获取在水下环境清 晰图像的主要方法，扫海测量中，配置水下数字摄像系统有助于 障碍物性质的判断，提高扫测能力。
激光测深系统目前测深 能力一般在50m左右。测深精 度在0.3m左右。
机载激光测深具有速度 快、覆盖率高 、灵活性强等 优点。有广阔的应用前景。
缺陷是对水质的要求比 较高，一般适合于近岸海域。
水下地形测量
测量海底起伏形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域 的延伸。按测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地 形测量。
特点是测量内容多，精度要求高，显示海底地物、地貌详 细。测量内容包括海底地貌、各种水下工程建筑、底质、沉层 厚度、沉船等人为障碍物、海洋生物分布区界和水文要素等。 通常对海域进行全覆盖探测，确保测图比例尺所能显示的各种 地物和地貌，是为从事各种海上活动提供重要资料的海洋基本 测量。
水下地形测量是利用声呐技术、激光技术和摄影技术，获 得海底的地形特征。现有的主要手段有：
➢ 现代海洋测绘技术是建立在海复杂，测量手段也比较独特； ➢ 现代海洋测绘已发展为潜载、船载、机载和星载测绘技术于一体的、
多学科交叉的综合性研究领域。
6.2 海洋测绘内容
海洋测绘包括海洋测量、各种海图的编绘及海洋信息的综合
管理和利用。
海洋测量包括：
F为磁场总强度，H为磁场为水平强度，Z为垂直强度，X为H在 北向的分量，Y为H在东向分量，D地理子午面与磁子午面之间的夹 角，称为磁偏角，I为磁倾角。F、H、Z、X、Y、D、I七个物理量 称为地磁要素。已知其中三个要素就可以求出其他的要素。在实 际观测中，目前只有I、D、H、Z和F的绝对值能够直接测量。
姿态传感器能测出横滚、俯仰、偏航参数，采用这些参数 对水深值和位置进行改正，涌浪滤波补偿仪能对因波浪运动而 引起的误差源进行校正补偿，输出数据包括：涌浪、未校正深 度、校正后深度和可选择的横摆、纵摆数据。
声速剖面仪能测出海水沿垂直方向的分层声速，进而可对 声线弯曲进行改正。 以获得波束脚印的船体坐标。
水深测量
水深测量是水下地形测量重要的组成部分，也是海洋测量中的 一项基本测量内容。水深测量经历了如下几个发展阶段：
测绳重锤测量（点测量） 单频单波束测深（点线测量） 双频单波束测深（点线测量） 多波束测深（面测量） 机载激光测深（面测量）